固体氧化物燃料电池界面稳定性及耐硫性研究

发布时间：2020-10-24 20:33

　　 为了满足固体氧化物燃料电池商业化的需求,人们需要降低其制造成本,延长其使用寿命,因此提高整个装置的稳定性显得十分重要。电解质、阴极、阳极是固体氧化物燃料电池最重要的三个核心部分,提高这三者的稳定性便是重中之重。本论文根据电化学的相关理论,通过将SSC阴极制成阴极片的方法将影响因素单一化得到电解质与阴极之间界面的衰减机制,并通过加入Sm0.2Ce0.8O1.9(SDC)中间层提高了La0.8Sr_(0.2)Ga_(0.8)Mg_(0.2)O_(3-δ)(LSGM)电解质与Sm_(0.5)Sr_(0.5)CoO_(3-δ)(SSC)阴极之间界面的稳定性;利用纳米纤维形貌的特殊性,以Mg/Fe保护层与纳米纤维阴极的结合有效的提高了阴极的耐硫性能;在Ni基阳极表面设计并制备了纳米纤维LST-Mg/Fe复合保护层,可以将燃料中的硫控制在Ni基阳极表面从而保护三相界面以及整个阳极的内部结构。在800℃空气气氛下,对Pt(WE)/LSGM/Pt(CE)单电池进行150 h的恒流极化(极化电流为200m A·cm-2),发现在工作电极侧的LSGM电解质会在晶界处产生大量析出物,通过对析出物的元素分析得知Ga元素从LSGM电解质的表面析出,Sr元素在晶界大量富集。然而,对电极侧的LSGM电解质中元素含量并没有发生明显变化。初步确认了LSGM电解质中的元素迁移是造成LSGM电解质性能衰减的主要原因。随后发现两组单电池SSC(WE)/LSGM/Pt(CE)和LSCF(WE)/LSGM/Pt(CE)中的LSGM电解质经过150 h恒流极化后,在工作电极侧的LSGM电解质同样会在晶界处产生大量析出物,并且析出物的元素含量与Pt(WE)/LSGM/Pt(CE)单电池中的析出物的元素含量相似。为了排除电极在电解质表面烧结因素的影响,分别将SSC和LSCF制成阴极片并制备成[Pt/SSC(pellet)](WE)/LSGM/Pt(CE)和[Pt/LSCF(pellet)](WE)/LSGM/Pt(CE)单电池。经过150 h恒流极化后,[Pt/SSC(pellet)](WE)/LSGM/Pt(CE)单电池中工作电极侧的LSGM电解质同样在晶界处产生与之前相似大量析出物,证实元素的迁移是造成LSGM电解质及其与SSC阴极界面性能衰减的主要原因。通过加入SDC中间层的方法有效的降低了LSGM与SSC之间的元素迁移的现象,提高了LSGM电解质与SSC阴极之间界面的稳定性。研究了SO_2对SOFCs阴极SSC和LSCF的影响,并找到提高其耐硫性的方法。在含有100 ppm SO_2的空气气氛中,采用三电极体系在极化电压相对于参比电极-0.3 V的条件下进行测试,实验结果表明SO_2会破坏SSC和LSCF阴极的纳米颗粒和纳米纤维的微观形貌并使其阴极性能的下降,并且SO_2会使具有纳米纤维形貌的阴极性能衰减更快,这是由于纳米纤维具有更多的通路可以使SO_2更快速的进入到三相界面处从而导致阴极性能的衰减速率更快。研究并制备了加入Mg/Fe保护层的SSC和LSCF阴极的耐硫性,得到Mg/Fe保护层起到保护SSC和LSCF阴极的作用,尤其是当采用SSC和LSCF纳米纤维阴极时,Mg/Fe保护层起到的效果最好,这是由于纳米纤维的特殊结构为Mg/Fe保护层提供了更多空间使其可以充分的包裹在阴极的周围并快速与SO_2反应从而起到了保护三相界面和整个阴极的作用。将SSC阴极的电流下降速率从33.677m A·h-1降低到了15.934 m A·h-1;将LSCF阴极的电流下降速率从27.477 m A·h-1降低到了18.563 m A·h-1。这说明纳米纤维结构的SSC和LSCF阴极与Mg/Fe保护层的协同作用可以有效的提高SOFCs阴极材料的耐硫性。在-0.75 V~CE.的恒压极化条件下,采用直接内部重整的方法,研究了C_(12)H_(26)+H2O和C_(12)H_(26)+H2O+C4H4S(500 ppm)两种混合燃料对Ni基阳极的影响,得到在燃料气C_(12)H_(26)+H2O+C4H4S气氛下,电流密度只保持很短时间就开始快速下降,并发现整个阳极的三相界面处遭到了严重的破坏。然后研究了通过添加纳米颗粒和纳米纤维两种不同形貌LST保护层对提高Ni基阳极耐硫性的方法,得到此方法可以有效的保护三相界面免受硫的毒化。最后研究了添加LST-Mg/Fe复合保护层进一步提高Ni基阳极耐硫性的方法,发现当采用LST(nanofibers)-Mg/Fe复合保护层时将电流保持时间从1 h提高到40 h左右。通过分析得到Mg/Fe保护层和纳米纤维LST保护层的协同作用可以将燃料中的硫抑制在整个LST-Mg/Fe保护层中从而提高了Ni基阳极的耐硫性能,进而有效的保护三相界面及阳极内部的结构。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TM911.4
【部分图文】：

质材料的性能及电化学稳定性的氧化铈材料是适合中低温使用的SOFC电解质材料(GDC和SDC)有比YSZ高的离质材料。但不足之处是：高温、还原气电，而且其强度偏低[13-14]。添加RE(Yb,材料只能在氧分压大于log(PO2/MPa)=[15-16]，这是因为在恒电压极化下，973 K)时，Ce4+离子的还原造成电流达不确的测定，这一现象揭示了CeO2系列材但在 873 K以下的范围内，研究CeO2基电17]。由此看来，以CeO2系列材料作为低稳定性仍需要进一步研究。近年来，氧化来减少阴极材料与电解质之间的反应[18-2来制备SSC-GDC[21]和LSCF-GDC[22]复合同样的也被用来增强SrTiO3基阳极的电化

第 1 章 绪 论种新型的电解质材料，LaGaO3系列电解质材料在秀的离子传导性[25-26]，图 1-3 为 LSGM 电解质与传 ， Yamaji 和 Xiong[27-28]等 研 究 La0.8Sr0.2Gg0.15Co0.05O3-δ的电子传导性时中发现，在恒电压g(PO2/MPa)=-9(673-1073 K)时，出现了电流达不到已经实际应用的钙钛矿结构的 LaGaO3系列电解质学稳定性提高的研究仍须继续。

哈尔滨工业大学工学博士学位论文O原子的过程，即 ；(3) 氧过程，即 ；(4) 发 生 反 应 生 成 O2-的 ；(5, 5′) 分子状态程，即 ；(6)即[31]2 adO (g) 2O (电极）ad（电极） 2O（三相界面电解质）2- 2O（电极，电解质 （电解质）ad2O ）2-（电极，(g) 4e ）2O 电极） O 4e 2O2O2-（ 。在以上的反应主导途径也主导着整个阴极反应速率的快慢。钙钛矿结构的氧化物材料，接下来着重介绍一
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本文编号：2854947